DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Ricostruzione e
distribuzione del
segnale analogico
DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
1. Tecniche di ricostruzione.
2. Distribuzione dati.
3. Tipi di distribuzione:
3.1-N
3.2-1
3.3-1
3.4-1
DAC per N canali d’uscita.
DAC+N S&H.
DAC+1 ADEMUX+N Hold.
DAC+1ADEMUX.
DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
1. Tecniche di ricostruzione
DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Tecniche di ricostruzione (1/3)
• I segnali analogici forniti dai DAC
presentano inevitabilmente un
andamento discontinuo a causa del
processo di quantizzazione intrinseco
alla conversione.
• Questo fatto è fonte di problemi in
fase di distribuzione, quando si vuole
riportare il segnale ad una forma tale
da poter essere letto e utilizzato
(ricostruzione del segnale).
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Tecniche di ricostruzione (2/3)
• La conversione D/A effettua una sola operazione: interpolazione
dei tempi (dal tempo discreto al tempo continuo), in quanto gli
effetti della quantizzazione sono irreversibili, e quindi non può
esistere una operazione inversa di “dequantizzazione”.
• Interpolare un segnale a tempo discreto significa ricostruire
l’andamento del segnale tra due campioni consecutivi spaziati di Tc
(periodo di campionamento).
• L’interpolazione può essere considerata come l’operazione inversa
del campionamento.
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Tecniche di ricostruzione (3/3)
• Per effetto dell’errore di quantizzazione
(anche se supponiamo il campionamento
ideale), all’uscita del DAC risulterà in
generale che il segnale analogico ricostruito
sarà sempre un po’ diverso dal segnale
analogico originario.
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Ricostruzione ideale (1/2)
•
•
In base al teorema del campionamento, la
ricostruzione perfetta del segnale
analogico originario a partire dalla
sequenza dei suoi campioni può essere
ottenuta utilizzando un filtro ideale
passa-basso, a valle del DAC.
Scopo: lasciar passare tutte le frequenze
fino alla frequenza massima del segnale
(B) ed eliminare tutte le frequenze >B,
permettendo di estrarre dallo spettro del
segnale campionato solo quel pacchetto di
armoniche che costituiva il bagaglio di
informazioni del segnale originario.
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Ricostruzione ideale (2/2)
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Ricostruzione non ideale (1/5)
• In pratica dobbiamo fare i conti
con filtri fisicamente realizzabili
(non ideali) che presentano una
certa banda di transizione tra la
banda permessa e la banda
proibita.
• Tale non idealità comporta una
certa distorsione, che peraltro
diminuisce all’aumentare della
qualità (e del costo) dei filtri.
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Ricostruzione non ideale (2/5)
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Ricostruzione non ideale (3/5)
• Normalmente, per ridurre la
complessità dei convertitori D/A, si
utilizzano tecniche di interpolazione
poco complesse, che tuttavia
consentono di approssimare
abbastanza bene l’interpolazione
ideale, soprattutto se accompagnate
da un moderato
sovracampionamento (f>2fc):
A. Interpolazione con mantenimento;
B. Interpolazione lineare.
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Ricostruzione non ideale (4/5)
A. Interpolazione con mantenimento.
• Detta anche interpolazione “di ordine zero”, (ZOH, Zero-OrderHold), consiste nel mantenere costante il valore del segnale fino al
campione successivo.
 Cattiva approssimazione del segnale analogico;
 Effetto “scalettatura”.
• Si può migliorare l’approssimazione effettuando un filtraggio
passabasso del segnale “scalettato”  si eliminano le transizioni
brusche e si addolcisce l’andamento del segnale.
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Ricostruzione non ideale (5/5)
B. Interpolazione lineare.
• È detta anche interpolazione del primo ordine (“FOH, First
Order Hold).
• Si ricostruisce un andamento lineare tra due campioni
consecutivi  migliore dell’interpolazione con mantenimento.
• Richiede tuttavia la conoscenza di due campioni consecutivi
del segnale e quindi introduce un ritardo di elaborazione.
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2. Distribuzione dati
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Distribuzione dati (1/2)
• La struttura di un sistema di
distribuzione dati dipende da molti
fattori, tra i quali:
1) la distanza a cui devono essere trasferiti i
segnali (che condiziona il tipo di mezzo
trasmissivo e la modalità di trasmissione);
2) Il numero dei dispositivi di uscita (canali di
uscita) a cui trasferire l’informazione e quindi le
modalità di Demultiplex;
3) La velocità con cui deve essere effettuata la
distribuzione.
4) Tipo di attuatori o utilizzatori.
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Distribuzione dati (2/2)
• Spesso gli utilizzatori sono digitali
(visualizzatori numerici, stampanti,
motori passo-passo, ecc.), ma nella
maggior parte dei casi sono di tipo
analogico.
• Spesso, come abbiamo visto, oltre alla
conversione D/A, sono necessarie
operazioni di filtraggio –
amplificazione - ricostruzione al
fine di adattare i segnali alle
caratteristiche degli utilizzatori.
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3. Tipi di distribuzione:
3.1 - N DAC per N canali d’uscita
3.2 - 1 DAC+N S&H.
3.3 - 1 DAC+1 ADEMUX+N Hold.
3.4 - 1 DAC+1ADEMUX.
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3.1 N DAC per N canali d’uscita (1/3)
• Il seguente sistema realizza una distribuzione
digitale dei dati e una successiva conversione
in forma analogica, utilizzando tanti DAC quanti
sono i canali d’uscita:
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3.1 N DAC per N canali d’uscita (2/3)
• Principio di funzionamento.
• I registri di ingresso, attivati dal proprio pin LE (Latch Enable),
memorizzano i dati digitali dopo ogni aggiornamento, facendo in
modo che le uscite dei DAC rimangano stabili (molti DAC
commerciali contengono già al loro interno il registro di ingresso,
ossia un buffer-latch).
• La struttura può venire assimilata ad una multiplazione digitale
(DDEMUX).
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3.1 N DAC per N canali d’uscita (3/3)
• Vantaggi:
1) Elevata velocità di distribuzione dei dati;
2) Possibilità di memorizzare i dati (in formato
digitale) senza che nel tempo subiscano alterazioni;
3) Possibilità di impiegare una doppia
bufferizzazione (due registri in cascata), in modo da
avere un aggiornamento contemporaneo dei dati
all’uscita del sistema di distribuzione, grazie
all’attivazione simultanea di tutti i registri analoghi
all’ingresso dei DAC.
• Svantaggi:
1) Elevato numero di DAC, quindi costi
relativamente alti;
2) Complessità delle connessioni se i convertitori
sono distanti dal sistema di elaborazione.
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approfondimento 20
DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
3.2 - 1 DAC+N S&H (1/3)
• Un metodo alternativo di distribuzione dei dati
consiste nell’impiegare 1 solo DAC ed N circuiti di
S/H, quindi di effettuare, oltre ad una conversione,
anche una distribuzione di tipo analogico
(ADEMUX).
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3.2 - 1 DAC+N S&H (2/3)
• Principio di funzionamento.
 Il DAC riceve i segnali digitali, eventualmente in sincronismo con un
segnale di abilitazione proveniente dalla Logica di controllo;
 La sua unica uscita analogica è connessa ad N circuiti di
Sample/Hold. A questi ultimi vengono inviati in sequenza i comandi
di campionamento non appena il rispettivo dato digitale viene
convertito.
 In questo modo si ha una memorizzazione del campione analogico
tramite il condensatore del blocco S/H.
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3.2 - 1 DAC+N S&H (3/3)
• Vantaggi.
1) Impiego di 1 solo DAC, quindi costi più contenuti;
2) Minor complessità delle connessioni nel caso in cui i circuiti S/H
siano distanti dal sistema di elaborazione.
• Svantaggi.
1) Velocità di trasferimento dei dati più bassa, a causa del tempo di
acquisizione e mantenimento del blocco S/H.
2) Vi è una alterazione nel tempo dei segnali analogici memorizzati
nel condensatore del circuito S/H, a causa della scarica dei
condensatori (drop rate).
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3.3 - 1 DAC+1 ADEMUX+N Hold (1/2)
• Prestazioni analoghe a quelle relative alla struttura
appena vista, sono offerte dalla soluzione seguente,
in cui la parte di Sample del blocco S/H viene
sostituita da un vero e proprio DEMUX Analogico.
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3.3 - 1 DAC+1 ADEMUX+N Hold (2/2)
• Vantaggio:
 Caratteristiche del tipo di quella a 1 solo DAC, però col vantaggio
di essere più semplice e meno costosa.
• Svantaggi: derivanti dall’impiego dei demultiplatori:
1) possibili interazioni fra canali contigui;
2) le correnti di dispersione del DEMUX possono provocare una più
rapida scarica dei condensatori di Hold, durante la fase di
mantenimento.
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2.4 - 1 DAC +1 ADEMUX (1/2)
•
DISTRIBUZIONE DATI CHE SFRUTTA L’INERZIA DEGLI
UTILIZZATORI.
 Le uscite dell’ ADEMUX sono collegate direttamente agli
attuatori.
 Il segnale fornito a ciascun attuatore è in realtà costituito
da una serie di impulsi (campioni) di ampiezza
proporzionale al codice digitale all’ingresso del DAC.
 La durata degli impulsi è pari al tempo in cui la rispettiva
linea di uscita dell’ ADEMUX rimane attivata e la
frequenza degli impulsi è pari alla frequenza di scansione
delle linee di uscita.
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3.4 - 1 DAC +1 ADEMUX (2/2)
• DISTRIBUZIONE DATI CHE SFRUTTA L’INERZIA DEGLI
UTILIZZATORI.
 Tecnica adatta quando gli attuatori presentano
una elevata inerzia intrinseca, ossia
presentano una notevole costante di tempo in
ingresso: in tal modo i dispositivi eseguono
l’integrazione degli impulsi ricevuti. Dispositivi di
questo genere potrebbero essere gli elementi
riscaldatori o strumenti indicatori
elettromeccanici.
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Approfondimenti
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N DAC per N canali d’uscita
• L’inconveniente dell’elevato numero dei DAC
non si pone se gli attuatori da pilotare sono
digitali (visualizzatori, stampanti e motori
passo-passo) in quanto non richiedono
l’impiego di convertitori D/A.
• Il problema dell’elevato numero di linee
(complessità delle connessioni) può essere
superato, con l’utilizzo di un convertitore
P/S, realizzando una trasmissione seriale
dei dati (al prezzo, però, di una riduzione
della velocità di trasmissione).
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1 DAC+N S&H
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• Si può limitare il secondo svantaggio
scegliendo circuiti S/H con tempi di
acquisizione o di campionamento
piuttosto brevi (per rendere più veloce
l’aggiornamento di tutti i dispositivi S/H).
• Ma soprattutto devono presentare tempi di
mantenimento il più possibile lunghi,
per evitare di dover provvedere a cicli di
aggiornamento periodici (refresh) dei dati
digitali anche se questi non hanno subìto
variazioni.
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